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1) Objetivo do Projeto
Otimização do processo de deposição de filmes policristalinos à partir de álcool, visando a heterojunção fotoelétrica carbonosilício, desenvolvimento de células de alto desempenho, da técnica da multi-camada" e da elaboração de Estudos de Viabilidade Econômica,objetivando a Produção Industrial. |
2) Proponente O Investidor...
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3)
Executor
Deverá ser executado pelos investidores:
4) Considerações Gerais 4, 1 - 1ntrodução Atualmente, os recursos energéticos provém de fontes esgotáveis que não estarão mais disponíveis por volta do ano 2.050, de acordo com as previsões não só da comunidade científica mundial; mas também do próprio DOE (Department of Energy) americano. Processos como a queima de derivados do petróleo, que são altamente poluentes, serão gradativamente substituidos à medida que os poços de petróleo em todo o mundo forem se esvaziando. O bombeamento do óleo tomar-se-á mais difícil, requerendo energias cada vez maiores para retirá-lo, até que os poços deixarão de ser economicamente produtivos. Tecnologias alternativas para o aproveitamento de fontes de energia renováveis deverão, então, desenvolver-se e serão completamente exploradas. A energia solar, através da energia fototérmica e fotovoltáica, em conjunto com os recursos obtidos da foto sintetização, como os da biomassa (álcool de cana e óleos vegetais), provavelmente será a fonte mais utilizada. Entretanto, a conversão direta da energia solar em energia elétrica, através de células solares fotovoltáicas, é ainda pouco eficiente e muito cara devido à alta relação custo-benefício, da produção de silício a nível microeletrônico, dedicado a foto células convencionais.
4.2 - Histórico A síntese de diamante tem sido uma busca incessante para os químicos desde que Lavoisier e Tennant demonstraram, em 1.772, que o diamante é formado inteiramente por átomos de carbono. A primeira tentativa com sucesso ocorreu no final do século passado (1.880) pelo químico escocês Hannay. Foi aquecida uma mistura de parafina e lítio em um barril de aço até a incandescência e Hannay obteve pequenas partículas de diamante, provavelmente devido à combinação do hidrogênio da parafina com lítio criando condições de altas temperatura e pressão, que permitiram ao carbono cristalizar em forma de diamante. Ao mesmo tempo que eram desenvolvidos processos para síntese do diamante à altas pressões e altas temperaturas, foram elaboradas técnicas à baixas pressões nos anos 40 e 50 deste século. O programa de pesquisa mais significativo desta época foi desenvolvido por William Eversole da Union Carbide. As pesquisas sobre síntese de diamante a baixas pressões foram desenvolvidas nos anos 50 e 60, sem o conhecimento dos trabalhos de Eversole, independentemente nos Estados Unidos por Angus da Case Westem Reserve University e na antiga União Soviética por Spitsyn, Deryagin e colaboradores do .instituto Físico-Químico de Moscow. Estes grupos mostraram a importância do uso de hidrogênio atômico para a supressão da deposição da camada grafítica. No início dos anos 80, um grupo japonês, Matsumoto e Kano do NIRIM, emitiu uma série de publicações descrevendo detalhes dos diversos métodos de deposição de filmes de diamante por Chemical Vapor Depositión (CVD), incluindo filamento quente e plasmas de micro-ondas, sobre diferentes substratos, com taxas de crescimento de valor comercial significativo. Atualmente, filmes policristalinos de diamante podem ser crescidos pelo método de deposição química em vários tipos de substrato. O processo CVD pode ser definido como um método de síntese de materiais no qual os constituintes da fase vapor reagem para formar um filme sólido em uma dada superfície. Neste método, tanto a pressão quanto a temperatura são baixas, Foto Oxford permitindo que o crescimento do diamante ocorra através de um sistema de deposição de menor custo. Apesar deste processo ser conhecido, ainda encontra-se em fase de desenvolvimento tecnológico para torná-lo viável a nível comercial 4.3 - Células Solares Células solares podem ser produzidas através de diversos materiais e técnicas Seu princípio de funcionamento é basicamente o mesmo para todos os tipos de células. A célula fotoelétrica é um contato entre dois materiais semi-condutores, um com doadores, com impurezas de boro (tipo p) e outro com aceitadores de elétrons, com impurezas de fósforo (tipo n). Neste contato é gerada uma barreira potencial que é capaz de acelerar e separar elétrons e lacunas, os quais serão gerados pela absorção de luz no semi-condutor. A célula solar de diamante policristalino é 'uma heterojunção entre diamante e silício. Os fenômenos de transporte e de foto-geração de portadores na junção diamante/silício são relativamente desconhecidos. O estudo detalhado destes fenômenos e a conseguinte otimização da célula, aliado ao baixo custó do método de crescimento de diamante, representam uma promissora solução para o alto custo das células fotoelétricas atuais 4.4 - Unidade Pré-lndustrial de Pesquisa e Fabricação A Unidade Pré-Industrial visa a pesquisa e o desenvolvimento de processos produtivos de células fotovoltáicas de diamante com 100 cm2, de boa qualidade e com repetibilidade. Esta unidade proporcionará um melhor controle dos parâmetros de crescimento dos filmes, atuando diretamente no desenvolvimento da pesquisa. Para alcançar uma célula com maior eficiência é necessário um desenvolvimento tecnológico que implica investimentos em recursos humanos, equipamentos e instalações adequadas.
Para atingir o estágio da escala industrial, a Unidade Pré-Industrial continuará desempenhando papel fundamental, pois continuará sendo o núcleo de pesquisa e desenvolvimento, podendo ainda ser ampliada, para aumento de produtividade, e atuando também como unidade piloto 4.5 - Alternativa A conversão de energia solar para elétrica é um processo totalmente "limpo", isto é, não polui o meio ambiente. O uso de células fotovoltáicas a preços mais acessíveis poderá proporcionar, num futuro não muito distante, uma alternativa para o crescente consumo de energia. No Brasil, a energia elétrica é quase totalmente gerada por usinas hidroelétrica, cuja energia secundária noturna quase não é empregada e tem custo significativamente mais baixo podendo ser utilizada para o processo de industrialização da tecnologia descrita, "estocando" esta energia numa célula fotovoltáica. A produção das hidroelétricas é escoada para os centros consumidores através de longas linhas de transmissão, que possuem alto custo de implantação e desperdício de energia por dissipação. Por outro lado, as usinas de geração de energia fotovoltáica podem ser instaladas perto dos centros consumidores, não necessitando de linhas de transmissão muito longas Além disso, o aproveitamento da energia solar é recomendado especialmente em países tropicais, onde a luz do sol é abundante durante todo o ano.Comparativamente, os custos do processo para fabricação de fotocélulas de silício são muitas ordens de grandeza maiores do que para o processo CVD empregado nesta proposta. 5) Projeto O projeto original, elaborado em 1996, contava com uma receita de R$500.000,00 e antevia a construção de um reator de aço Inox, com infra-estrutura de apoio e oficina mecânica. A retomada do projeto, com a atual conjuntura, foi re-avaliada e re-dimencionada, de forma a poder ser atualizada e orçada, dentro dos recursos disponíveis até março de 2000; quando estarão previstas novas verbas. Para viabilizar uma primeira tentativa de construção de um dispositivo foto-voltáico, foi necessário a elaboração de um novo projeto, muito mais simples, orçado entre R$100.000,00 a R$120.000,00, para fabricar mesmos 10 cm2 de área celular, porém com formato retangular - (em forma de régua), medindo: 3,3cm x 30cm x 0,3cm .
5.1 - Otimização do Processo Existente Para viabilizar uma primeira tentativa de construção de um dispositivo fotovoltáico foi necessária a elaboração de um reator tubular com 1 3/4 polegadas de diâmetro interno, capaz de processar substratos com formato retangular medindo 30cm x 3,3cm x 0,3cm (100cm² em forma de régua). Os substratos cerâmicos encontrados no mercado possuem o formato de um quadrado de até 30cm de lado necessitando, portanto, que sejam cortados com o uso de equipamento de raios laser acoplado a um plotter. O reator consiste de um tubo de zircônia resistente ao vácuo discreto e ao aquecimento por elemento resistivo externo até 1.100°C. Em seu interior é borrifada uma mistura de hidrogênio e álcool (ou metano). Esta mistura sofre a ação de uma zona de calor - plasma induzido por argônio excitado em campo elétrico - e transforma-se em plasma. No plasma formam-se espécies de carbono eletricamente carregadas ([C-H]+n), as quais são aceleradas pela ação de um gradiente térmico transversal contra o substrato, tornado cátodo. O carbono se deposita e cresce na superfície do substrato sob a forma de filme fino policristalino de estrutura tetragonal. Durante a deposição do filme podem ser introduzidas como impurezas, elementos químicos necessários à dopagem das camadas que constituirão a junção fotovoltáica. Dois reatores tubulares serão usados para alternar os processos de deposição de camadas. Um para produzir a camada tipo N e outro para produzir a camada tipo P. Dessa forma, evita-se a dificuldade de limpar internamente os reatores. Convém ressaltar que os custos envolvidos na operação de um reator tubular implica menor volume interno do reator, menor consumo de gás e de energia, baixo custo de construção e operação do sistema, possibilidade de operação contínua e utilização de substratos mais baratos. O equipamento de raios laser para corte dos substratos também pode ser utilizado para a polimerização das máscaras de PVA na deposição eletrolítica das pistas de cobre. 5.2 - Melhoria da Produtividade Desenvolvimento de um reator de maior capacidade, de forma permitir maior uniformidade aos depósitos e a utilização do laser de corte, permitindo aplicação das técnicas do "contato enterrado" no substrato. Este reator permitirá também a produção de células com dimensões mais regulares e em maior número, ou mesmo em um sistema de "alimentação de substrato", onde o processo se tornaria contínuo. Outra técnica, já apresentando excelentes resultados, é a denominada "multi-camadas". Nesta técnica o aumento de área é substituído pelo aumento do número de junções. Isto é possível, devido ao uso do laser de corte na abertura das trilhas de cobre e da transparência dos depósitos de CVD, que permitem a sobreposição de até 10 camadas ! Estas novas técnicas de implantação das "pistas de elétrons" - (que são trilhas de cobre, depositadas sobre as camadas de CVD, onde escoa a energia elétrica, entre as diversas camadas) - melhoram sensivelmente o desempenho das células.
5.3 - Melhoria na Qualidade da Célula Desenvolvimento de estudo mofológico da estrutura policristalina do filme, apoiado em bases teóricas visando o aumento da eficiência da heterojunção diamante/silício. 5.4 - Escalonamento Piloto Em seguida à conclusão com sucesso das etapas anteriores, iniciar-se~á um Estudo de Viabilidade Técnica e Econômica do processo ora em andamento na Unidade Pré-Industrial, que implicará no desenvolvimento e otimização de um processo produtivo com a finalidade de produzir células em série. 5.5 - Análise de Viabilidade Econômica da Produção Industrial (**) Esta etapa tem como objetivo um Estudo de Viabilidade Econômica para a produção industrial de células de diamante, comparando os custos e os processos de produção, a eficiência e a durabilidade das células de diamante em relação às células convencionais existentes. Estes estágios de desenvolvimento de tecnologia envolvem trabalho intenso previsto para 18 meses. Para execução deste projeto é apresentado a seguir um cronograma que envolve desde a instalação predial até o estudo sobre a viabilidade de produção em escala industrial.
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Cronograma (*) Caso seja necessária, viagem) |
Levantamento Geral e Atualizaçào Técnica do Projeto. | Construção do Forno no Rio de Janeiro e orçamentodo Forno e compra de complementos para o forno | Compra dos sumplementos para sala limpa e laboratórios de apoio.- Vácuo, Plasma, medidores e controladores. | Instalação do Reator e dos equipamentos para a sala limpa e laboratório | Testes preliminares ajustes de equipamentos e fabricação de substratos sem dopagem para raio-x | Fabricação de substrato complexo com montagem do sistema foto-voltáico para demostração. | ||||||||
Mês ---->>> |
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Preparação do Projeto |
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Instalação predial |
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Compra de equipamentos |
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Ajuste de equipamentos |
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Fabricação |
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Pesquisa em paralelo |
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LISTA DE PRODUTOS
Convenção:
Qde. | Descrição | Fabricante | Preço (R$) |
1 | http://www.oxfordplasma.de/systems/80plus.htm | 217.070,00 (+taxa alfandegária) |
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1 | http://www.web-tronics.com/webtronics/ar-b3201.html | 169,00 | |
1 | http://www.alfaelectronics.com/PR1810H.HTM | 760,00 (+taxa alfandegária) |
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Multímetro Fluke 26-III True RMS
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http://www.alfaelectronics.com/FLUKE70.HTM | 410,00 (+taxa alfandegária) | |
1 | http://www.lasermachining.com/products/laser%20systems/c-80_series.htm
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Aguardando Cotação (+taxa alfandegária) |
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30 | http://www.wesgo.com/semi1.html | Aguardando Cotação (+taxa alfandegária) |
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Microscópio 0-1600x binocular | Lutz Ferrando | 2.250,00 | |
Balança eletrônica de 3 casa decimais (+/-) 0.5mg Mettler | MultiLab | 7.124,00 | |
Pasta de diamante | |||
Bomba de Vácuo de palheta rotativa | MultiLab | 5.384,34 | |
1 | Tubo Cerâmico para forno tubular de 2" x 16" | Importação FOB $ 713,24/each. | 1.283,00 + taxa alfandegária |
1 | Forno 7000/3P - para tratamento térmico de substrato | MultiLab | 2.610,50 |
1 | Capela para exautão de gases 10m3/min | MultiLab | 1.337,00 |
Ultra som da linha MAXSONIC | MultiLab | 2.120,00 | |
1 | Cobre Organo-metálico 1,1,1,5,5,5-hexafluor-2,4-pentenedionato (hfac) ou dimetil 1,5 ciclooctadiene |
Produto ainda, não encontrado | |
1 | Corte e Politriz | Aguardando cotação | |
1 | Plotter xy | HP | 1.300,00 |
1 | Pentium III 450 HD-8.4G 130MRamDIM Moden56 e Som On-Board Video 8Mcompartilhado Gabinete Mouse Techado Monitor Sansung15" e Creative 48X Software básico, com Registro Incluso. | Pronto Computer tel.: 5330401 | 3.000,00 |
1 | No breake 1,2 KVA | Pronto Computer tel.: 5330401 | 400,00 |
Ferramentas, vidraria, acessórios, etc. | Consultar: | 3.800,00 | |
Gases, | Hidrogênio 7,2 m3 Metano 5 m3 Ar comprimido 10 m3 |
70,00 130,00 60,00 |
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3
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Termopares tipo K Encapsulado em Aço inox .
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Ecil SA | 1200,00 |
4 | Manômetros (para H, Ar, N, Me) | 9.000,00 | |
4 | Fluxímetros (0-10 litros p/:H, Ar,N,Me) | Multilab | 3300,00 |
Armários, Bancadas, Capela Instalações Elétrica e Hidráulica | 5.000,00 | ||
1 | Desumidificador | Multilab | 500,00 |
1 | Banho termostático com agitação | Multilab | 2578,90 |
Ar condicionado e filtros | Aguardando dimensionamento de ambientes | ||
2 | Exaustores | Aguardando dimensionamento de ambientes | |
Reagentes | AgNO3 (100g) CuCN (500g) NCN (1Kg) KOH (1Kg) |
323,00 400,00 210,00 68,00 |
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1 | Geladeira (280 litros) | Ponto Frio | 700,00 |
1 | Sala limpa | Microcir | Aguardando cotação |
2 | Extintores de Incêncio 6Kg(CO2) | InterChama Tel 232 9596 | 240,00 |
20 L | Etanol - Anhydrous - Desnatured | Merck (Index Merck: 12.3806 ) | 289,64 |
TOTAL PARCIAL | 269.390,96 | ||
TOTAL | Aguardando cotação |
Cronograma Orçamentário Administrativo
Data |
Especificação de equipamento e materiais |
Preço em Reais |
NOV/99 | ||
Sala limpa 1/3 (Microcir) | - | |
2 | Importação do Tubo Cerâmico ( A Zirconia tube 2" OD x 1-3/4 ID by 16" long $ 713.24/each), | 6300,00 |
2 | Complementos para o forno: Isoladores, flanges, anéis de vedação, juntas de amianto, passadores cerâmicos, tubos, cimento refratário, alumínio, kantal, material elétrico e ferramentas.(R$887,00) | 1774,00 920,00 (Reserva) |
Honorários: Romeu e Fernando | 3700,00 | |
DEZ/99 | ||
Sala limpa 2/3 (Microcir) | ||
Balança | 7124,00 | |
Bomba de vácuo | 5384,00 | |
Capela | 1337 | |
Computador | 3000,00 | |
Placa (Importação) | 270,00 | |
Ultra Som | 2120,00 | |
Ferramentas vidrarias acessórios | 3800,00 | |
Multímetro | 500,00 | |
(3) Termopares | 1200,00 | |
Geladeira | 700,00 | |
NoBreak | 3700,00 | |
Honorários | 3700,00 | |
JAN/2000 | ||
Fonte de corrente PID para o forno | - | |
Sala limpa 3/3 (Microcir) | - | |
(Armários e bancadas) | 5000,00 | |
Desumidificador | 500,00 | |
Ar condicionado | - | |
Exaustor | - | |
Honorários | 3700,00 | |
FEV/2000 | ||
Laser | - | |
Substratos | - | |
Banho termostático com agitação | 2578,90 | |
Microscópio | 2250,00 | |
Pasta de diamante | - | |
Forno (Tratamento térmico) | 2610,00 | |
Cobre Organo-metálico | - | |
Corte e politriz | - | |
Plotter xy | 1300,00 | |
Gases (H2, Ar comprimido, CH4) | 280,00 (total) | |
(4) Manômetros K | - | |
(4) Fluxímetros Max. (10 litros/min) | - | |
Etanol | 289,00 | |
(1) Técnico | 1400,00 | |
(1) Vigia | 700,00 | |
MAR/2000 | ||
Honorários | 3700,00 | |
Técnico | 1400,00 | |
Vigia | 700,00 |
Autores do projeto:
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Fernando Rabello de Castro (Químico)
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